案例分享：不锈钢管腐蚀开裂分析
2021-06-29 02:11:58
hualin
由于具有优良的耐蚀性，304不锈钢被广泛地用于要求良好综合性能（耐蚀性和成形性）的设备和机件，在化工设备、压力容器等行业应用广泛。某化肥厂硫酸管，用于硫酸泵出口（0.82MPa）与反应器之间连接，该泵流量14m3/h，扬程63m，硫酸浓度为93.5%，使用温度为常温。该管道于2016年更换，在使用两年后，在泵进出口排放管及压力表接口高颈法兰焊接处出现渗液现象。对管壁进行清洗、渗透检测并发现裂纹（见图1）。查阅原始资料，该钢管材质为304不锈钢，管径为DN50，壁厚3.5mm，在焊接后进行渗透检测，结果合格。将该钢管切割取样，经检测发现，渗液处位于焊缝区域并发现裂纹。
图1 硫酸管开裂位置及开裂形貌
为查明不锈钢管腐蚀开裂失效的原因，避免再次发生危险，本文拟对失效钢管件进行化学成分、金相显微及扫描电镜分析，从而得出失效原因，并提出预防措施。
一、试验方法
（1）化学成分分析
采用ARL-4460直读光谱仪分别对不锈钢管的母材及焊缝的化学成分进行检测，确定化学成分是否符合标准要求。
（2）金相显微分析
从渗液处（见图1c）截取试样，试样包括母材、焊缝和热影响区，对试样进行预磨、粗磨、精磨和抛光，使用OLYMPUS-GX51金相显微镜对试样进行非金属夹杂物观察，之后用三氯化铁盐酸水溶液对其浸蚀，在金相显微镜下对试样进行组织观察（见图2）。
图2 金相试样
（3）扫描电镜分析
利用液压钳将试样沿裂纹撕开，采用日立S-3400热场发射扫描电子显微镜对试样开裂面进行扫描观察，并利用EDAX能谱仪进行能谱分析。
二、结果与讨论
（1）化学成分分析
表1为不锈钢管母材及焊缝处化学成分。由表1可知，该公司所采购的不锈钢管化学成分与标准相比，母材和焊缝金属的化学成分Cr含量偏低，其他元素含量符合标准要求。Cr是不锈钢中耐腐蚀的主要元素，Cr含量偏低，会使不锈钢的耐腐蚀性能下降。
表1 不锈钢管材料的化学成分（质量分数） （%）
（2）金相显微分析
先对试样进行机械抛光，未经浸蚀，在显微镜下观察试样的非金属夹杂物分布情况。通过观察发现，非金属夹杂物较少，但存在单颗粒大尺寸夹杂物，评级为Ds2（见图3a）。非金属夹杂物的存在会破坏基体的连续性，降低其力学性能，从而使基体更容易断裂。非金属夹杂物会使不锈钢基体表面生成的钝化膜（氧化膜）变薄，造成非金属夹杂物与基体结合的部位先受到腐蚀，然后界面处的局部腐蚀会向基体扩展，从而造成点蚀。非金属夹杂物的存在也容易使晶界脆化导致晶间腐蚀，致使耐腐蚀性能下降。
图3 试样断裂处腐蚀后显微组织
对抛光好的试样进行化学浸蚀，在金相显微镜下对其进行组织观察。图3b所示为试样的母材显微组织照片，组织为单相奥氏体（有孪晶），晶界未见异常，金属平均晶粒度为7级。图3c所示为熔合区显微组织（左侧焊缝，右侧热影响区），该区域组织正常，熔合完好，无裂纹、气孔，无其他焊接缺陷。在裂纹附近（焊接热影响区）进行金相显微组织观察，如图3d所示。清晰可见沿晶界分布的显微裂纹，并存在网状颗粒Cr的碳化物，从而形成贫铬区，如图4所示。当铬含量（质量分数）>12%时，钝化效果明显，可显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，当铬含量<12%时，钝态受到破坏，电位下降，而晶内仍保持钝化状态，从而构成了小阳极（晶界区的贫铬区）和大阴极（基体）的微电偶电池，加速了晶界的腐蚀。
Cr23C6碳化物析出的温度为450～850℃，这是不锈钢晶间腐蚀的敏化温度范围，也称为危险温度范围。以上形貌特征表明，该区域在焊后存在敏化现象，导致焊缝热影响区出现晶间腐蚀，使不锈钢热影响区耐晶间腐蚀性下降，这是引起不锈钢管开裂的原因之一。
（3）断口扫描观察
将加工好的断口试样置入扫描电镜内，利用二次电子成像进行微观观察、分析。如图4所示，可以发现断口高低不平，存在许多腐蚀产物和裂纹，裂纹呈树枝状分布，此类裂纹特征为二次裂纹，并且裂纹已经深入到材料基体内部。这些特征表明，该304不锈钢管的破坏为应力腐蚀开裂。不锈钢的导热性能差，钢管在焊后由于高温产生残余应力，不锈钢管在受到腐蚀后产生的腐蚀微裂纹，在残余应力作用下，扩展速率加快，形成应力腐蚀开裂。
图4 扫描电镜断口形貌观察
（4）能谱分析
利用能谱仪分析不锈钢管断口表面的腐蚀产物，图5为能谱分析结果。从衍射峰谱图上可以直观地看出，氯含量很高，说明该不锈钢管处于含氯的腐蚀环境中。该化肥厂开裂失效钢管置于露天环境，厂址地处沿海地带，距海岸仅1.1km，属于典型的海洋大气环境。在温度湿度较高时，大量海水蒸发产生盐雾现象，致使空气中含有较高的氯离子，含有氯离子的水分吸附到不锈钢管的外壁，形成腐蚀性介质，对不锈钢管不断腐蚀。奥氏体不锈钢在普通大气环境中，表面会形成致密的钝化膜（氧化膜），此钝化膜隔绝了大气与不锈钢表面直接接触，对不锈钢具有保护作用，使其具有优良的耐腐蚀性能。即使钝化膜被破坏，也会及时再生、修复。而氯离子极容易破坏奥氏体不锈钢的钝化膜，在表面形成点蚀或蚀坑，加速不锈钢的腐蚀。
三、结束语
本案例的不锈钢腐蚀开裂不能将原因简单地归于某一方面，而是在多种因素共同作用下，使不锈钢管产生开裂。
（1）非金属夹杂物会破坏金属表面钝化膜的完整性，使不锈钢的耐腐蚀性能降低，因此应严格控制非金属夹杂物等级在1.5级以下。
（2）母材及焊缝金属中Cr含量偏低，贫Cr使不锈钢表面铬的钝化膜致密性降低。因此，应提高钢管及焊材质量要求，对入厂成分进行严格检测，确保焊缝金属成分不弱于母材。在焊接过程中应严格控制焊接参数，尽量采用小焊接热输入量，防止发生敏化而导致Cr沿晶界析出生成Cr23C6，避免不锈钢产生晶间腐蚀。
（3）化肥厂处于海洋大气环境，空气中的氯离子含量较高，并有适宜的加速腐蚀的温度和湿度，导致不锈钢表面的氧化膜易被破坏，从而使不锈钢表面产生电化学腐蚀，腐蚀微裂纹在残余应力的作用下加速扩展，引起应力腐蚀开裂。因此，应严控现场空气环境，将盐雾环境进行隔离（如涂装或加保护层），防止氯离子的破坏作用。